JP2014130906A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】被変位体からの反力によって生じるダイヤフラムの半球に被さるような動きを抑え、この動きを起因とした疲労破壊を防止できる圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータ１００は、一端に半球１１５を有し、電圧の印加により半球１１５を変位させる圧電アクチュエータ本体１１０と、圧電アクチュエータ本体１１０の他端を支持する座１２０と、圧電アクチュエータ本体１１０に被さって座１２０に封止され、先端のダイヤフラム１３３に曲率Ｒに形成され、半球１１５が当接するドーム１３５を有するキャップ１３０と、を備えている。また、半球１１５の中心を中心とし、圧電アクチュエータ本体１１０の中心軸から１８０°−（被変位体５００の円錐穴５０１の中心角度の半分）−９０°傾いた角度において、ドーム１３５と半球１１５との隙間ｄが、ｄ／Ｒ≦０．０１７を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、先端の変位を円錐穴に形成された受け部に伝達する圧電アクチュエータに関する。

従来、積層型の圧電素子を多連化し、そこへ金属製のキャップを被せた圧電アクチュエータが知られている。図３は、従来のキャップ９３０の先端を示す断面図である。キャップ９３０の先端には、変位によるキャップ９３０の疲労破壊を防ぐため、ダイヤフラム９３３が設けられている。

図４は、従来の圧電アクチュエータ９００の先端を示す断面図である。ダイヤフラム９３３を変位させるために、圧電アクチュエータ９００ではダイヤフラム９３３の先端部の内側に当接するように半球９１５が設けられている。例えば、特許文献１に記載される圧電アクチュエータも、図４に示す例と同様に半球９１５がダイヤフラム９３３の内側に当接している。特許文献１に記載される圧電アクチュエータでは、特にダイヤフラムには注目されることはなく、圧電アクチュエータを構成する圧電素子本体およびその接合面等の破損防止策が提案されている。

特許第４４４３７０７号

しかし、上記のような圧電アクチュエータを連続駆動した際にはダイヤフラムの疲労破壊が生じうる。上記の通り、特許文献１記載の方法では圧電素子等への破損防止の対策はなされていたが、ダイヤフラムの疲労破壊に対しては何ら対策が講じられていない。

ダイヤフラムを有する圧電アクチュエータを用いる場合、ステージ等の被変位体はダイヤフラム先端のドームによる押圧力を円錐形状の穴で受けることが多い。この際、半球の半径ｒとダイヤフラム内側の曲率Ｒとの関係は、各々の当接が不十分な状態とならないよう、半球の半径ｒ＜ダイヤフラム内側の曲率Ｒを満たすように設計される。

図５は、従来の圧電アクチュエータ９００の先端を示す拡大断面図である。図５に示す例では、半球の半径ｒ＜ダイヤフラム内側の曲率Ｒであることから、半球９１５とダイヤフラム９３３との間に隙間が生じている。このようにして、半球９１５とダイヤフラム９３３との間の当接を維持している。

しかし、ダイヤフラム９３３の内側の曲率Ｒを大きくしすぎると、ドームと半球９１５との隙間も大きくなる。また、この隙間は、ダイヤフラム９３３の変位の際に、円錐形状の穴の斜面からの反力によって、図５に示すような隙間を埋めダイヤフラム９３３が半球９１５に被さる動きをダイヤフラム９３３にさせてしまう。このような動きは、ダイヤフラム９３３の疲労破壊を早める要因となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被変位体からの反力によって生じるダイヤフラムの半球に被さるような動きを抑え、この動きを起因とした疲労破壊を防止できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、先端の変位を、円錐穴が形成された被変位体に伝達する圧電アクチュエータであって、一端に半球を有し、電圧の印加により前記半球を変位させる圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の他端を支持する座と、前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止され、先端のダイヤフラムに曲率Ｒに形成され、前記半球が当接するドームを有するキャップと、を備え、前記半球の中心を中心とし、前記圧電アクチュエータ本体の中心軸から１８０°−（被変位体の円錐穴の中心角度の半分）−９０°傾いた角度において、前記ドームと前記半球との隙間ｄが、ｄ／Ｒ≦０．０１７を満たすことを特徴としている。これにより、被変位体からの反力によって生じるダイヤフラムの半球に被さるような動きを抑え、この動きを起因とした疲労破壊を防止できる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記隙間ｄが、０．００８６≦ｄ／Ｒを満たすことを特徴としている。圧電アクチュエータによる変位方向とは異なる方向からの外力が加わると、その外力はキャップを変位させるが、上記のドームと半球との隙間により外力が吸収されるため、圧電アクチュエータ本体への曲げ応力が伝わるのを防止できる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップが、ＳＵＳで形成され、前記ドームにおける前記キャップの厚みｔは、０．２≦ｔ／Ｒ≦０．３を満たすことを特徴としている。これにより、１００万回程度の動作があってもキャップの疲労破壊を防止しつつ、外力を吸収できる。

本発明によれば、被変位体からの反力によって生じるダイヤフラムの半球に被さるような動きを抑え、この動きを起因とした疲労破壊を防止できる。

本発明に係る圧電アクチュエータおよび被変位体を示す断面図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの先端部および被変位体を示す断面図である。 従来のキャップの先端を示す断面図である。 従来の圧電アクチュエータの先端を示す断面図である。 従来の圧電アクチュエータの先端を示す拡大断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１は、圧電アクチュエータ１００および被変位体５００を示す断面図である。図１に示すように、圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１１０、座１２０およびキャップ１３０を備えており、先端の変位を、被変位体５００に伝達する。被変位体５００は、円錐穴５０１が形成されている。

圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１１１が変位方向に沿って直列に多連化されている。その一端には、半径ｒの半球１１５を有し、電圧の印加により半球１１５を変位させる。この半球１１５がキャップ１３０の先端のダイヤフラム１３３を押し出し、外部に変位を伝達する。

圧電素子１１１は、内部電極と圧電層とが交互に積層されており、内部電極は一層おきに交互に外部電極１１２に接続されている。各圧電素子１１１に設けられた一対の外部電極１１２は、それぞれリード線１１３に接続されている。圧電層の材料は、ＰＺＴであることが好ましいが、これに限定されるものではない。また、内部電極または外部電極の材料には、例えばＡｇ−Ｐｄが用いられる。

座１２０には、圧電アクチュエータ本体１１０の他端が固着されており、座１２０は圧電アクチュエータ本体１１０を支持している。また、座１２０には、端子孔に端子１２５が挿通され、端子孔はガラスまたは樹脂等で封止されている。端子１２５はリード線１１３に接続されており、端子１２５を介して駆動電圧が圧電素子１１１に印加される。

キャップ１３０は、金属製であり、たとえばＳＵＳで形成されている。キャップ１３０は、圧電アクチュエータ本体１１０に被さって座１２０にハンダ付け等で封止され、先端のダイヤフラム１３３の部分に半球１１５が当接するドーム１３５を有する。ドーム１３５は、被変位体５００の円錐穴５０１の傾斜面に当接しており、変位を被変位体５００に伝達する。ダイヤフラム１３３の詳細は後述する。

圧電アクチュエータ１００は、例えば半導体製造装置に搭載される位置決め装置に用いることができる。その場合には、被変位体５００は、ステージの一部に相当する。次に、ダイヤフラム１３３が満たすべき条件の詳細を説明する。

（ダイヤフラムの構成）
図２は、圧電アクチュエータ１００の先端部および被変位体５００を示す断面図である。ドーム１３５の曲率Ｒは以下の条件を満たして形成されている。すなわち、半球１１５の中心を中心とし、圧電アクチュエータ本体１１０の中心軸から１８０°−（円錐穴５０１の中心角度の半分）−９０°だけ傾いた角度において、ドーム１３５と半球１１５との隙間ｄが、ｄ／Ｒ≦０．０１７を満たす。これにより、被変位体５００からの反力によって生じるダイヤフラム１３３の半球１１５に被さるような動きを抑え、この動きを起因とした疲労破壊を防止できる。

また、上記の隙間ｄは、一方で０．００８６≦ｄ／Ｒを満たすことがさらに好ましい。圧電アクチュエータ１００による変位方向とは異なる方向からの外力が加わると、その外力はキャップ１３０を変位させるが、上記のドーム１３５と半球１１５との隙間により外力が吸収されるため、圧電アクチュエータ本体１１０への曲げ応力が伝わるのを防止できる。

また、ドーム１３５におけるキャップ１３０の厚みｔは、０．２≦ｔ／Ｒ≦０．３を満たすことが好ましい。これにより、１００万回程度の動作があってもキャップ１３０の疲労破壊を防止しつつ、外力を吸収できる。

（実施例、比較例）
圧電アクチュエータを用いた実施例および比較例を以下に説明する。まず、圧電アクチュエータを作製した。その際にキャップの径を８ｍｍに設計し、被変位体により円錐穴からキャップに与えられる予圧を１００Ｎとした。円錐穴の中心角は、１２０°に設計した。ドームと半球との隙間は、ドームの内面の曲率Ｒと半球の半径ｒとを用いて算出した。

そして、圧電アクチュエータに電圧を印加し、キャップの先端部を５０μｍ変位させる連続駆動を行った。比較例として０．００８６≦ｄ／Ｒの条件を満たさないキャップを用いた場合、そのキャップは、駆動回数１００万回を待たずして疲労破壊した。一方、０．００８６≦ｄ／Ｒの条件を満たすキャップを用いた場合、そのキャップは、駆動回数１００万回に達しても疲労破壊が確認されなかった。このように、本発明の圧電アクチュエータ１００による効果が実証された。

１００ 圧電アクチュエータ
１１０ 圧電アクチュエータ本体
１１１ 圧電素子
１１２ 外部電極
１１３ リード線
１１５ 半球
１２０ 座
１２５ 端子
１３０ キャップ
１３３ ダイヤフラム
１３５ ドーム
５００ 被変位体
５０１ 円錐穴

Claims (3)

1. 先端の変位を、円錐穴が形成された被変位体に伝達する圧電アクチュエータであって、
   一端に半球を有し、電圧の印加により前記半球を変位させる圧電アクチュエータ本体と、
   前記圧電アクチュエータ本体の他端を支持する座と、
   前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止され、先端のダイヤフラムに曲率Ｒに形成され、前記半球が当接するドームを有するキャップと、を備え、
   前記半球の中心を中心とし、前記圧電アクチュエータ本体の中心軸から１８０°−（被変位体の円錐穴の中心角度の半分）−９０°傾いた角度において、前記ドームと前記半球との隙間ｄが、ｄ／Ｒ≦０．０１７を満たすことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記隙間ｄは、０．００８６≦ｄ／Ｒを満たすことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記キャップは、ＳＵＳで形成され、前記ドームにおける前記キャップの厚みｔは、０．２≦ｔ／Ｒ≦０．３を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。

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